Antriebsvorrichtung für ein kraftstoffelektrisch angetriebenes Fahrzeug

Abstract

 Antriebsvorrichtung für ein kraftstoffelektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine (10), einem Generator (11), der mittels der Brennkraftmaschine (10) antreibbar ist, einem Gleichrichter (12), an den die Ausgangsspannung des Generators (11) abgebbar ist, einer Gleichspannungsschiene (13), die vom Gleichrichter (12) mit einer Zwischenkreisspannung speisbar ist, Wechselrichtern (14,15,16,17,18, 19,20), die an die Gleichspannungsschiene (13) angeschlossen sind, Abnehmermotoren (2,3,4,5,6,7,8), die drehzahl- und/oder drehmomentgeregelt betreibbar und jeweils mittels eines Wechselrichters (14,15,16,17,18,19,20) speisbar sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsvorrichtung für ein kraftstoffelektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine, einem Generator, der mittels der Brennkraftmaschine antreibbar ist, einem Gleichrichter, an den die Ausgangsspannung des Generators abgebbar ist, einer Gleichspannungsschiene, die vom Gleichrichter mit einer Zwischenkreisspannung speisbar ist, Wechselrichtern, die an die Gleichspannungsschiene angeschlossen sind, Abnehmermotoren, die drehzahl- und/oder drehmomentgeregelt betreibbar und jeweils mittels eines Wechselrichters speisbar sind, und einer Steuer- und Regelvorrichtung, mittels der Fahrzeugfunktionen steuer- bzw. regelbar sind.

[0002] Bei herkömmlichen derartigen Antriebsvorrichtungen laufen die Brennkraftmaschine, die üblicherweise als Dieselmotor ausgebildet, und mit dieser bzw. diesem der Generator, der üblicherweise als Drehstromsynchrongenerator ausgebildet ist, immer mit der gleichen Drehzahl, unabhängig davon, welche Lastanforderungen an die Abnehmermotoren gestellt werden. Entsprechend liefert der Drehstromsynchrongenerator hierbei auch immer die gleiche Ausgangsspannung an den Gleichrichter, wodurch auf der Gleichspannungsschiene immer in etwa die gleiche Zwischenkreisspannung herrscht.

[0003] Nachteilig bei dieser aus dem Stand der Technik bekannten herkömmlichen Antriebsvorrichtung ist, dass in Schwachlastphasen, speziell bei häufig vorkommenden Stillstandszeiten des Fahrzeugs bei laufendem Fahrzeugmotor, der Dieselmotor bzw. die Brennkraftmaschine weiterhin seine bzw. ihre hohe Drehzahl behält, wobei jedoch kaum Drehmoment abgegeben wird. Hierdurch ergibt sich ein unerwünscht hoher Diesel- bzw. Kraftstoffverbrauch, wobei darüber hinaus ein nicht nötiger Verschleiß der Brennkraftmaschine bzw. des Dieselmotors auftritt. Darüber hinaus ergeben sich aus diesem an sich unnötigen Betrieb des Dieselmotors bzw. der Brennkraftmaschine unerwünschte Belästigungen, z.B. Lärmentwicklungen und Abgasbelastungen.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs geschilderte gattungsgemäße Antriebsvorrichtung für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug derart weiterzubilden, dass ohne wirtschaftlich aufwendige Spezialmotoren, wie z.B. Notstromdieselmotoren, mittels einer Anpassung des Betriebs der Antriebsvorrichtung an den von den Abnehmermotoren nachgefragten Leistungsbedarf ein intelligentes Energiemanagement erzielt werden kann.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Steuer- und Regelvorrichtung eine Drehzahlregeleinheit mit einem Drehzahlmessgeber, mittels der die Drehzahl der Brennkraftmaschine entsprechend dem Leistungsbedarf regelbar ist, und eine Ausgangsspannungsregeleinheit aufweist, mittels der die Erregung des Generators so regelbar ist, dass die Zwischenkreisspannung auf der Gleichspannungsschiene in einem vorgebbaren zulässigen Bereich haltbar ist. Erfindungsgemäß wird eine Steuerung der Drehzahl der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit vom nachgefragten Leistungsbedarf erzielt, wobei die Regelung der Ausgangsspannung des Generators insoweit sichergestellt wird, dass eine maximal und minimal erlaubte Zwischenkreisspannung im Bereich der Gleichspannungsschiene nicht über- bzw. unterschritten wird.

[0006] Zweckmäßigerweise sind die von der gemeinsamen Gleichspannungsschiene gespeisten Wechselrichter als Pulswechselrichter ausgebildet, wodurch die Fähigkeit der modernen, an die Gleichspannungsschiene angeschlossenen Pulswechselrichter ausgenutzt werden kann, mit einer in einem weiteren Bereich variablen Zwischenkreisspannung zu arbeiten.

[0007] Um ein unnötig häufiges Beschleunigen und Verzögern der Brennkraftmaschine bei an den Abnehmermotoren anfallenden Lastwechseln zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn zwischen der Brennkraftmaschine und der Drehzahlregeleinheit der Steuer- und Regelvorrichtung ein Zeitverzögerungsglied angeordnet ist, mittels dem ein Absenken der Drehzahl der Brennkraftmaschine bei einem Abfall der nachgefragten Last um einen vorgebbaren Zeitraum verzögerbar ist.

[0008] Vorteilhaft ist im Falle der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung die Drehzahlregeleinheit der Steuer- und Regelvorrichtung so ausgebildet, dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine bei Schwachlast auf deren Leerlaufdrehzahl absenkbar ist.

[0009] Als Brennkraftmaschine kann im Falle der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung vorteilhaft ein Dieselmotor zum Einsatz kommen.

[0010] Der Generator der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung kann zweckmäßigerweise als Synchrongenerator, vorzugsweise als Drehstromsynchrongenerator ausgebildet sein.

[0011] Um den Abfluss überschüssiger Energie in dem Fall sicherzustellen, dass die an die Gleichspannungsschiene angeschlossenen Abnehmermotoren auf die Gleichspannungsschiene zurückspeisen, ist es zweckmäßig, wenn an die Gleichspannungsschiene eine Bremseinheit mit daran angeschlossenen Widerständen angeschlossen ist. Hierdurch kann die in dem genannten Zustand anfallende überschüssige Energie verheizt werden.

[0012] Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung bei einem Containertransportfahrzeug zum Einsatz kommen, wobei dann vier Abnehmermotoren als Fahrwerksmotoren eines Fahrwerks und zwei Abnehmermotoren als Hubwerksmotoren eines Hubwerks dieses Containertransportfahrzeugs ausgebildet sein können.

[0013] Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung ist deren Steuer- und Regelvorrichtung an abnehmermotorseitige Leistungsanforderungselemente angeschlossen, so dass auf eine entsprechende Leistungsanforderung unmittelbar eine Anpassung der Drehzahl der Brennkraftmaschine und damit der in der Gleichspannungsschiene zur Verfügung gestellten Zwischenkreisspannung erfolgen kann.

[0014] Ein solches abnehmermotorseitiges Leistungsanforderungselement kann beispielsweise als Gaspedalführer der Fahrwerksmotoren oder als Hubwerksmeisterschalter der Hubwerksmotoren ausgebildet sein.

[0015] Darüber hinaus ist es zweckmäßig, wenn die Steuer- und Regelvorrichtung der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung an Lastmesszellen angeschlossen ist, mittels denen das Gewicht einer am Hubwerk aufgenommenen Ladung erfassbar ist, da die den Hubwerksmotoren zur Verfügung zu stellende elektrische Leistung u.a. von dem dort anliegenden Gewicht abhängig ist.

[0016] Des weiteren kann ein Abnehmermotor als Hilfsbetriebsmotor des kraftstoff- bzw. dieselelektrisch angetriebenen Fahrzeugs ausgebildet und über einen Sinusfilter von dem ihm zugeordneten Wechselrichter speisbar sein.

[0017] Zweckmäßigerweise sind sämtliche Wechselrichter der Antriebsvorrichtung mittels eines gemeinsamen Steuerbusses an die Steuer- und Regelvorrichtung der Antriebsvorrichtung angeschlossen.

[0018] Beispielsweise beim Einsatz der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung im Zusammenhang mit einem Containertransportfahrzeug ist es zweckmäßig, wenn die Zwischenkreisspannung der Gleichspannungsschiene in einem zulässigen Arbeitsbereich zwischen 460 und 750 V variabel ist.

[0019] Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in deren einziger Figur konzeptionell ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung für ein dieselelektrisch angetriebenes Fahrzeug an Hand eines Containertransportfahrzeuges bzw. Straddle Carriers mit frequenzumrichtergespeisten Drehstromantrieben dargestellt ist.

[0020] Eine in der Figur hinsichtlich ihrer grundsätzlichen Konzeption dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 1 kommt bei einem dieselelektrisch angetriebenen Fahrzeug, z.B. bei einem Containertransportfahrzeug bzw. einem Straddle Carrier, mit frequenzumrichtergespeisten Drehstromantrieben zum Einsatz.

[0021] Zu dem Containertransportfahrzeug gehört ein Hubwerk und ein Fahrwerk, die mittels der Antriebsvorrichtung angetrieben werden.

[0022] Das Hubwerk hat zwei Hubwerksmotoren 2, 3, mittels denen eine Last in Form eines Containers oder dergleichen in Vertikalrichtung auf- und abwärts bewegbar ist.

[0023] Zum Fahrwerk des Containertransportfahrzeuges gehören vier Fahrwerksmotoren 4, 5, 6, 7. Darüber hinaus hat das Containertransportfahrzeug einen Hilfsbetriebsmotor 8, der über einen Sinusfilter 9 an einen Abnehmer bzw. Verbraucher angeschlossen ist.

[0024] Die Hubwerksmotoren 2, 3, die Fahrwerksmotoren 4, 5, 6, 7 und der Hilfsbetriebsmotor 8 werden drehzahl- und/oder drehmomentgeregelt betrieben.

[0025] Die zum Betrieb der vorstehend erwähnten Abnehmermotoren 2 bis 8 erforderliche Antriebsenergie, die von der Antriebsvorrichtung 1 auf die genannten Motoren 2 bis 8 verteilt bzw. an diese weitergeleitet wird, wird mittels eines Dieselmotors 10 erzeugt.

[0026] Die vom Dieselmotor 10 abgegebene mechanische Antriebsenergie wird durch einen Drehstromsynchrongenerator 11 in elektrische Energie umgewandelt, wobei die Ausgangsspannung des Drehstromsynchrongenerators 11 einem Gleichrichter 12 als Eingangsspannung eingegeben wird.

[0027] Aus dem Gleichrichter 12 wird eine Gleichspannungsschiene 13 mit einer Zwischenkreisspannung, die von der Eingangsspannung des Gleichrichters 12 bzw. der Ausgangsspannung des Drehstromsynchrongenerators 11 abhängt, gespeist. Aus dieser Gleichspannungsschiene 13 beziehen sieben Pulswechselrichter 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 ihre elektrische Energie, die für den Betrieb der Hubwerksmotoren 2, 3, der Fahrwerksmotoren 4, 5, 6, 7 und des Hilfsbetriebsmotors 8 erforderlich ist, wobei jeweils ein Pulswechselrichter 14 bis 20 einem Abnehmermotor 2 bis 8 zugeordnet ist.

[0028] Die Pulswechselrichter 14 bis 20 können mit einer in einem weiteren Bereich variablen Zwischenkreisspannung arbeiten, so daß die in der Gleichspannungsschiene 13, die allen Pulswechselrichtern 14 bis 20 gemeinsam ist, herrschende Zwischenkreisspannung, z.B. zwischen 460 und 750 V, variieren kann.

[0029] Des weiteren ist an die allen Pulswechselrichtern 14 bis 20 gemeinsame Gleichspannungsschiene 13 eine Bremseinheit 21 angeschlossen. Die Bremseinheit 21 kann beispielsweise in Form eines Bremschoppers vorliegen und daran angeschlossene Widerstände 22 aufweisen. Mittels der Bremseinheit 21 kann überschüssige elektrische Energie verheizt werden, die in dem Fall auftritt, dass die von den Abnehmermotoren 2 bis 8 in die Gleichspannungsschiene 13 eingespeiste elektrische Energie die von den Abnehmermotoren 2 bis 8 verbrauchte elektrische Energie übersteigt.

[0030] Alle Funktionen des Containertransportfahrzeugs werden von einer Steuer- und Regelvorrichtung 23 gesteuert bzw. geregelt. Zur Steuer- und Regelvorrichtung 23 gehört eine Drehzahlregeleinheit 24, mittels der die Drehzahl des Dieselmotors 10 regelbar ist. Ein Drehzahlmessgeber 30 liefert der Drehzahlregeleinheit hierfür den Drehzahlistwert. Im Falle der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung wird beispielsweise die Drehzahl des Dieselmotors 10 bei Schwachlastzuständen auf die Leerlaufdrehzahl abgesenkt. Um zu verhindern, dass die in der Gleichspannungsschiene 13 herrschende Zwischenkreisspannung eine zulässige Untergrenze unterschreitet, wird die Erregung des Drehstromsynchrongenerators 11 variiert. Hierzu dient eine Ausgangsspannungsregeleinheit 25 der Steuer- und Regelvorrichtung 23, mittels der die Ausgangsspannung des Drehstromsynchrongenerators 11 so geregelt wird, dass die in der Gleichspannungsschiene 13 herrschende Zwischenkreisspannung jederzeit innerhalb eines erlaubten Arbeitsbereichs verbleibt.

[0031] An die Steuer- und Regelvorrichtung 23 des Containertransportfahrzeugs sind Lastmesszellen 26, mittels denen an den Hubwerksmotoren 2, 3 anliegende Gewichtslasten oder dergleichen ermittelbar sind, ein Gaspedalfühler 27, mittels dem an einem Gaspedal der Fahrwerksmotoren 4, 5, 6, 7 angeforderte Lasten erfassbar sind, und ein Hubwerksmeisterschalter 28 angeschlossen, mittels dem die Hubwerksmotoren 2, 3 in Betrieb setzbar sind.

[0032] Sofern der Gaspedalfühler 27 und/oder der Hubwerksmeisterschalter 28 ein Signal an die Steuer- und Regelvorrichtung 23 des Containertransportfahrzeugs anlegen, aus dem hervorgeht, dass wieder eine größere elektrische Leistung benötigt wird, erfolgt mittels der Drehzahlregeleinheit 24 der Steuer- und Regelvorrichtung 23 unmittelbar eine Erhöhung der Drehzahl des Dieselmotors, so dass letzterer wieder hohe Antriebsleistungen abgeben kann.

[0033] Die Steuer- und Regelvorrichtung 23 ist über einen Steuerbus 29 mit sämtlichen Pulswechselrichtern 14 bis 20 verbunden und erhält so unter anderem die Information über die aktuell herrschende Zwischenkreisspannung.

[0034] Die Leistungsabgabe an die Abnehmermotoren 2 bis 8 wird durch die Steuer- und Regelvorrichtung 23 freigegeben, sobald die Drehzahl des Dieselmotors 10 mittels der Drehzahlregeleinheit 24 in der gewünschten Weise erhöht worden ist.

[0035] Sobald der Zustand eines erhöhten Abgabeleistungsbedarfs nicht mehr vorliegt, wird die Drehzahl des Dieselmotors 10 mittels der Drehzahlregeleinheit 24 der Steuer- und Regelvorrichtung 23 wieder abgesenkt, wobei zwischen der Einleitung der Absenkung und der Beendigung des Zustands der erhöhten Leistungsabfrage mittels eines Zeitverzögerungsglieds 31 ein vorgebbarer Zeitraum eingehalten wird. Diese Zeitverzögerung bzw. dieser vorgebbare Zeitraum dient dazu, ein unnötig häufiges Beschleunigen und Verzögern des Dieselmotors 10 bei Lastwechseln zu vermeiden.

[0036] Mit der erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung 1 kann die Steuerung der Drehzahl des Dieselmotors 10 in Abhängigkeit vom an den Abnehmermotoren 2 bis 8 nachgefragten Leistungsbedarf erfolgen, wobei die Fähigkeit der von der Gleichspannungsschiene 13 gespeisten modernen Pulswechselrichter 14 bis 20 ausgenutzt wird, mit einer in einem weiten Bereich variablen Zwischenkreisspannung zu arbeiten. Mittels der Ausgangsspannungsregeleinheit 25 kann die Ausgangsspannung des Drehstromsynchrongenerators 11 so geregelt werden, dass die maximal und minimal in der Gleichspannungsschiene 13 erlaubte Zwischenkreisspannung nicht über- bzw. unterschritten wird. Insgesamt ergibt sich so aufgrund der entsprechend dem aktuell nachgefragten Leistungsbedarf variablen Drehzahl des Dieselmotors 10 ein intelligentes Energiemanagement der Antriebsvorrichtung 1.

Ansprüche

1. Antriebsvorrichtung für ein kraftstoffelektrisch angetriebenes Fahrzeug, mit einer Brennkraftmaschine (10), einem Generator (11), der mittels der Brennkraftmaschine (10) antreibbar ist, einem Gleichrichter (12), an den die Ausgangsspannung des Generators (11) abgebbar ist, einer Gleichspannungsschiene (13), die vom Gleichrichter (12) mit einer Zwischenkreisspannung speisbar ist, Wechselrichtern (14,15, 16,17,18,19,20), die an die Gleichspannungsschiene (13) angeschlossen sind, Abnehmermotoren (2,3,4,5,6,7,8), die drehzahl- und/oder drehmomentgeregelt betreibbar und jeweils mittels eines Wechselrichters (14,15,16,17,18,19,20) speisbar sind, und einer Steuer- und Regelvorrichtung (23), mittels der Fahrzeugfunktionen steuer- bzw. regelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Regelvorrichtung (23) eine Drehzahlregeleinheit (24) mit einem Drehzahlmessgeber (30), mittels der die Drehzahl der Brennkraftmaschine (10) entsprechend dem Leistungsbedarf regelbar ist, und eine Ausgangsspannungsregeleinheit (25) aufweist, mittels der die Erregung des Generators (11) so regelbar ist, dass die Zwischenkreisspannung auf der Gleichspannungsschiene (13) in einem vorgebbaren zulässigen Bereich haltbar ist.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die von der gemeinsamen Gleichspannungsschiene (13) gespeisten Wechselrichter als Pulswechselrichter (14,15,16,17,18,19,20) ausgebildet sind.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der zwischen der Brennkraftmaschine (10) und der Drehzahlregeleinheit (24) der Steuer- und Regelvorrichtung (23) ein Zeitverzögerungsglied (31) angeordnet ist, mittels dem ein Absenken der Drehzahl der Brennkraftmaschine (10) bei einem Abfall der nachgefragten Last um einen vorgebbaren Zeitraum verzögerbar ist.

4. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Drehzahlregeleinheit (24) der Steuer- und Regelvorrichtung (23) so ausgebildet ist, dass die Drehzahl der Brennkraftmaschine (10) bei Schwachlast auf deren Leerlaufdrehzahl absenkbar ist.

5. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Brennkraftmaschine als Dieselmotor (10) ausgebildet ist.

6. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der der Generator als Synchrongenerator (11) ausgebildet ist.

7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der Generator als Drehstromsynchrongenerator (11) ausgebildet ist.

8. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der an die Gleichspannungsschiene (13) eine Bremseinheit (21) mit daran angeschlossenen Widerständen (22) angeschlossen ist.

9. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der vier Abnehmermotoren als Fahrwerksmotoren (4,5,6,7) eines Fahrwerks und zwei Abnehmermotoren als Hubwerksmotoren (2,3) eines Hubwerks des als Containertransportfahrzeug ausgebildeten kraftstoffelektrisch angetriebenen Fahrzeugs ausgebildet sind.

10. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Steuer- und Regelvorrichtung (23) an abnehmermotorseitige Leistungsanforderungselemente (27,28) angeschlossen ist.

11. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10, bei der ein abnehmermotorseitiges Leistungsanforderungselement als Gaspedalfühler (27) der Fahrwerksmotoren (4,5,6,7) ausgebildet ist.

12. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, bei der ein abnehmermotorseitiges Leistungsanforderungselement als Hubwerksmeisterschalter (28) der Hubwerksmotoren (2,3) ausgebildet ist.

13. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei der die Steuer- und Regelvorrichtung (23) an Lastmesszellen (26) angeschlossen ist, mittels denen das Gewicht einer am Hubwerk aufgenommenen Ladung erfassbar ist.

14. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der ein Abnehmermotor als Hilfsbetriebsmotor (8) ausgebildet und über einen Sinusfilter (9) von dem ihm zugeordneten Wechselrichter (20) speisbar ist.

15. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der die Wechselrichter (14,15,16,17,18,19,20) mittels eines gemeinsamen Steuerbusses (29) an die Steuer- und Regelvorrichtung (23) der Antriebsvorrichtung (1) angeschlossen sind.

16. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der die Zwischenkreisspannung der Gleichspannungsschiene (13) in einem zulässigen Arbeitsbereich zwischen 460 und 750 V variabel ist.

Zeichnung